이터븀 원자시계. 출처 : N. Phillips/NIST
빅뱅 이후 지금까지 시간보다 긴 140억 년에 1초 틀리지 않는 초정밀 원자시계가 개발됐다. 이 원자시계는 중력파와 심지어 암흑물질까지 탐지할 수 있을 것이라는 전망도 나온다.
NITS(미국 국립표준과학연구소) 연구팀이 ‘로열 플러쉬’ 급 초정밀 원자시계를 발견했다고 해외 과학전문매체들이 2일 보도했다. 연구팀의 논문은 과학저널 네이처(Nature) 최근호에 게재됐다.
새로운 시계는 희토류 원소인 이터븀(ytterbium, 원자번호 70)을 사용한다. 광격자가 1000여 개의 이터븀 원자를 가둔 상태에서 레이저로 이터븀 원자의 전자를 자극시킨다. 그러면 원자들은 두 에너지 상태 사이를 스위칭하면서 짹깍거린다. 이른바 원자 내 전자의 전이(transition)인데, 1나노초(10억 분의 1초)가 걸린다.
원자가 짹깍거릴 때마다, 혹은 원자 내의 전자가 에너지 상태를 바꿀 때마다 전자는 탐지 가능한 마이크로파 에너지를 방출한다. NIST 물리학자들은 이런 원리를 이용해 이터븀 원자시계 2개를 만들었고, 이 둘을 비교한 결과 정밀도에서 신기록 경신을 확인했다.
기록적인 성과는 3가지 부문에서 측정됐다. 그것은 조직적 불확정성(systematic uncertainty), 안정성(stability), 재현성(reproducibility)이다.
조직적인 불확정성은 시계가 이터븀 원자의 자연진동을 얼마나 잘 나타내느냐를 말한다. 이터븀 시계의 그 오차는 10억×10억(10¹⁸) 분의 1에 불과한 것으로 나타났다.
안정성은 특정 시간 동안 시계 주파수의 변화를 말한다. 이터븀 시계 주파수의 변화는 하루에 불과 10¹⁹(1조×1천만) 분의 3.2(0.0000000000000000032)로 확인됐다.
재현성이란 동일 주파수 동안 두 개의 이터븀 시계가 얼마나 비슷하게 똑딱이는가를 말한다. 두 시계의 차이는 10¹⁸(10억의 10억) 분의 1 이하로 측정되었다.
연구팀의 리더 앤드류 루드로우(Andrew Ludlow)는 "이터븀 시계의 조직적 불확정성, 안정성, 재현성은 가히 '로열 플러쉬' 급이라며 "전례 없는 수준에서 두 시계의 일치, 즉 극도로 높은 재현성은 단연 가장 중요한 결과"라고 평가했다.
이 같은 재현성은 시계의 오차가 지구 위의 중력 효과를 탐지하는 데 장애가 되지 않을 만큼 작음을 의미한다.
특히 새로 개발된 이터븀 시계는 시공간 자체를 측정하는 데 사용될 뿐 아니라 초기 우주에서 나온 중력파까지 탐지할 수 있다. 심지어 암흑물질도 탐지할 수 있다고 한다.
이터븀 원자시계는 휴대 가능할 정도로 작으면서 성능이 뛰어나 세슘시계 등 기존 원자시계를 평정하는 게임체인저(game-changer)로 부상할 전망이다.
현재 국제 표준 초(standard second)는 세슘(133) 원자의 진동수에 의해 정의된다. 그러나 세슘 원자시계는 3000만 년에 1초의 오차를 나타낸다. 따라서 향후 초(second) 국제단위가 이터븀 원자시계를 기준으로 바뀔 가능성도 크다.
한편 아인슈타인의 일반상대성이론에 따르면 중력은 시계를 느리게 가게 한다. 예를 들어 지구 중력이 큰 지구 표면에 가까울수록 시계가 느리게 가고 고도가 높을수록 그만큼 시간은 실제로 조금 빨리 흐른다.
이런 원리를 이용해 두 원자시계를 각기 다른 고도에 위치시킴으로써 중력의 차이를 측정할 수 있다. 이것은 이론적으로, 새로 개발된 이들 원자시계가 지구의 중력장의 형태를 1 센티미터 이내의 정확도로 관측하는 데 사용될 수 있음을 뜻한다.
새 이터븀 원자시계가 미세한 중력파나 아직 직접적으로 탐지하지 못한 암흑물질을 탐지할 수 있을 것이라는 전망도 같은 원리에 근거한다.
이터븀 원자시계는 조만간 초의 단위에서 우주 관측까지 강력한 과학기구로 부상할 전망이다.
#기사출처 : Universe Today, A New Atomic Clock has been Built that Would be off by Less than a Second Since the Big Bang
ScienceAlert, We Now Have Atomic Clocks So Precise, They Could Detect Space-Time Distortion
Nature, Atomic clock performance enabling geodesy below the centimetre level
<'우주관 오디세이' 저자·인저리타임 편집위원장>(번역 도움 : 강성민·부산대 물리교육과4)
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